单晶硅是微电子产业和太阳能电池的基础原材料,主要通过直拉法生产。在单晶硅的制备过程中,氩气的流动、坩埚的旋转造成炉内热场梯度的波动,加之热传递的容性和滞后,因此过程对象的大惯性、大滞后、非线性及多干扰成为控制的难点。液面温度和拉晶速度不仅关系到硅棒的直径,还影响到单晶硅的原子排列结构。液面温度越高,直径越小,拉晶速度慢,直径越大,如何协调控制好液面温度和拉速是直拉式单晶硅生产炉控制的重点。本文首先描述了双重控制系统的基本结构并分析其原理,从理论层面分析了其性能特点。比较了预测PI控制和史密斯预估器对迟滞系统的控制效果。然后对热场温度和液面温度的准确测量提出基于卡尔曼滤波的解决思路。根据直拉式单晶硅棒的生产特点,结合双重控制的基本思想,采用直径和拉晶速度两个操纵变量,综合直径控制速度快、温度控制抗热场干扰的优点,协调控制液面温度和拉晶速度,提高了系统的工作频率。采用两层串级系统,快速抑制热场温度和液面温度的扰动。对于过程对象的迟滞和干扰,采取预测PI控制算法。以双重控制系统作为系统的控制结构,主控制器和副控制器均采用预测PI算法,从而提出双重预测PI控制系统的概念,本文详细推导了双重控制系统中,在主控制器采用预测PI控制算法的情况下,副控制回路的对象模型,为副控制器的选择和参数整定提供了理论依据。基于直拉式单晶硅生长炉的双重控制,快则治标:以拉速-直径环作为主控制环,快速应对控制系统内的各种扰动;缓则治本:以温度-直径-拉速作为副控制环,尽量使拉速处于理想状态,平稳快速的克服控制系统中热场的扰动,保证单晶硅棒的产品质量和生产效率。本文通过仿真详细比较了不同副控制器的控制作用,验证了双重预测PI控制系统的快速性和鲁棒性。为了更加贴合工程实际,本文开发了一套实时监控软件。其中,控制器硬件采用OPTO22 PAC,软件平台则使用OPTO22 PAC Project。通过PAC控制器硬件、OPTO22的OPC服务器和simulink提供的模拟过程对象,搭建了一个在线实时仿真系统,实现了人机界面、控制器、simulink之间的数据交互,为控制算法的调试提供了经济快速的方案。在线实时仿真的结果表明,双重预测PI控制系统能较好的协调拉晶速度和液面温度,能快速平稳的应对扰动,验证了双重预测PI控制系统的实用性。